Professional 3D Printing Übersicht, Anwendungen, Grenzen und Chancen. Geiger, M.; Coachulting

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1 Agenda Additive Fertigung/Generative Fertigung/3D Printing - 27 Jahre Geschichte Technologieübersicht Produktentwicklung Professional 3D Printing Übersicht, Anwendungen, Grenzen und Chancen Rapid Manufacturing Wissensmanagement Geiger, M.; Coachulting

2 Urformen in Architektur und Technik Architektur Wer baut schon ein Haus, in dem er Zimmer in einen Felsen meißelt? Technik Abtragen oder Umformen Nabatäer in Petra

3 AUTOFACT, Detroit, 1987: Erstes kommerzielles Generatives Fertigungsverfahren Kommerzielle Vorstellung einer Stereolithography Anlage

4 Datenaufbereitung für generative Fertigung 3D Beschreibung (CAD, STL) Slicedaten NC-Daten Pixeldaten Generative Fertigungsverfahren 3D Drucken oder besser: Additive Fertigungsverfahren Schichtbauverfahren

5 1990/1991 Erste Aktivitäten zu RP Erste Metallteile über indirekte Prozesse Multiphase Jet Solidification Gemeinschaftsentwicklung Fraunhofer IPA und IFAM ( ) Generative Technologie für metallische und keramische Bauteile Edelstahl 316L

6 Agenda Additive Fertigung/Generative Fertigung/3D Printing - 27 Jahre Geschichte Technologieübersicht Produktentwicklung Professional 3D Printing Übersicht, Anwendungen, Grenzen und Chancen Rapid Manufacturing Geiger, M.; Coachulting Geschäftsmodelle, Wissensmanagement, Prozesse

7 Einteilung additiver Technologien in verfahrensspezifische Gruppen Pulverschmelzen (Powder Melting) Photopolymerisieren (Photopolymerisation) Schichtkleben (Layer Joining) Additive Fertigung (Additive Fabrication) Binderstrahldrucken (Binder Printing) Strahldrucken (Jet Printing) Materialauftragen (Material Deposition)

8 Photopolimerisieren Bauplattform Scanner Optik Laser Support Bauteil Flüssiges Polymer Recoating- System Versenkbare Plattform Lichtdurchlässige Platte Bauteil Support Flüssiges Polymer Lichtquelle Teleobjektiv Stereolithography Linsensystem Mikrospiegelarray Direct Light Processing, Envisiontec Bauteil aus Kunststoff (häufig Epoxidharze), hohe Anzahl an verfügbaren Harzen mit unterschiedlichen Eigenschaften 3D Systems

9 Strahldrucken Verfahren: Multi-Jet Modeling 3D Systems GmbH Polyjet Objet (RTC Rapid Technologies GmbH) T Benchtop Solidscape (Horbach GmbH) Materialien: Photopolymere und Wachs Polyjet

10 Binderstrahldrucken Recoating Bauteil Pulverbett Materialien: Kunststoffe, Formsand, Gips (Metalle und Keramik in USA) Düsenarray für Binder absenkbare Bauplattform Verfahren: Rapid Casting Technology Direct Metal Printing 3D Drucken 3D Drucken ExOne EcOne Z Corporation (4D Concepts) Voxeljet Technology GmbH

11 Pulverschmelzen Scanner Recoating Optik Laser Bauteil Verfahren: Selective Laser Sintering Electron Beam Melting LaserCusing Lasersintern Selective Laser Melting Laser Sintering Process Selective Mask Printing microsintering 3D Systems GmbH Arcam AB Concept Laser GmbH EOS GmbH SLM Solutions, Realizer Phenix Systems Sintermask GmbH 3D-MicroMac AG Pulver Versenkbare Plattform Materialien: Kunststoffe (meist Polyamid) Metalle Formsand für Metallguss

12 Materialauftragen X/Y-gesteuertes beheiztes Düsensystem X/y Drahtzuführung Materialrollen mit drahtförmigem Material für das Bauteil und den Support Materialien: ABS ABSi Polycarbonat Polyphenylensulfon PC / ABS Blend PC ISO Material Bauteil Support Versenkbare Plattform Fused Deposition Modeling und Dimension 3D Printing von Stratatsys (alphacam Fertigungssoftware GmbH)

13 Schichtkleben Verfahren: beheizte Rolle Laser absenkbare Bauplattform Laminated Object Manufacturing X/Y Positioniereinheit beschichtete Folie Laminated Object Manufacturing Paper Lamination Technology SD Printer Materialien: Holz ähnlich, PVC Cubic Technologies (RTC Rapid Technologies GmbH) Kira Solidimension (Encee CAD/CAM Systeme GmbH, 3D Systems GmbH, Graphtec Europe GmbH)

14 Beispiel: Fused Deposition Modeling Kostenverlauf: Materialien: Die Kosten steigen bei mehr als 5 Teilen nahezu linear zur Anzahl der benötigten Teile. Allgemein dürften die Teilekosten etwas höher als bei der Stereolithographie und beim Lasersintern liegen. (Abhängig vom Anbieter) Hier bietet sich ABS als Standardmaterial an. Die Materialeigenschaften sind nicht isotrop und die Teile nicht 100% dicht Nachbearbeitung: Für eine Oberflächenqualität ähnlich dem Spritzguss müssen die Teile aufwendig nachbearbeitet werden (eventuell Infiltrieren und Schleifen) Farbechtheit: Für eine Farbechtheit müssen die Teile lackiert werden. Kratzer lassen die Originalfarbe durchscheinen. Langzeiterfahrung: Das ABS-Material ist bereits mehrere Jahre auf dem Markt und hat nach bisherigen Kenntnissen ein gutes Langzeitverhalten

15 Vakuumguss a) Stereolithographiemodell b) Silikonform erstellen c) Silikonform aufschneiden und Stereolithographieteil entnehmen d) Mischen der Polyurethankomponenten unter Vakuum e) Gießen und Vakuum f) Teil entnehmen (a) (b) (c) (d) (e)

16 Vakuumguss Kostenverlauf: Materialien: Aus einer Silikonform können ca Teile gegossen werden. Dann muss eine neue Silikonform hergestellt werden. Die Kosten steigen somit stufenweise mit einer Stufenbreite von Teilen mit schrägen Stufen entsprechend der Gusskosten. Bei mehr als 10 Teile dürfte es preisgünstiger als Additive Verfahren sein. Hier bieten sich verschiedenste Polyurethan Materialien an, wobei eine Farbspezifikation das Angebot eingrenzt. Die Teile sind dicht und die Materialeigenschaften nahezu isotrop. Nachbearbeitung: Die Oberflächenqualität ist ähnlich dem Spritzguss. Angüsse und eventuelle Details müssen von Hand gefinisht werden. Farbechtheit: Für spezifische Farben muss zuerst das Mischungsverhältnisse der beigefügten Pigmente über Versuche erarbeitet werden. Langzeiterfahrung: Die PU-Materialien ist bereits seit vielen Jahren auf dem Markt und haben nach bisherigen Kenntnissen ein gutes Langzeitverhalten.

17 Rapid Tooling Schnelle Fertigung von Formeinsätzen für den Spritzguss über Direct Metal Laser Sintering oder Fräsen, wobei die Formeinsätze im Vergleich zum Serienwerkzeug einfacher aufgebaut sind.

18 Frästechnik Gefräste Kleinserien Aluminiumwerkzeuge - Stahlwerkzeuge Kostenverlauf: Materialien: Die Kosten werden überwiegend durch die Fertigungskosten der Formeinsätze und Einlegeteile festgelegt. Je nach Aufbau des Werkzeuges sind die Kosten, aber auch die Spritzgusszyklen sehr unterschiedlich Der Originalwerkstoff kann verwendet werden Nachbearbeitung: Ähnliche Nachbearbeitung wie beim Spritzguss Farbechtheit: Originalwerkstoff mit Originalfarbe kann verwendet werden Langzeiterfahrung: Entsprechend Serienteil

19 Rapid Tooling für Kunststoffteile Fertigung von Formeinsätzen für Spritzguss Pulverschmelzen von Formeinsätzen von Prototypen bis Großserien CNC- Fräsen in Aluminium CNC-Fräsen in Werkzeugstahl Kostenfaktor Werkzeugaufbau beachten Serienwerkzeug Beispielkosten für ein 4-teiliges Gehäuse mit ca. 20 * 12 *4 cm Größe GF VG AL- Fräsen Stahl-Fräsen DMLS-Werkzeug Teileanzahl

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21 Rapid Prototyping - aber Was ist ein Prototyp?

22 Geschäftsprozess im RPD Konzeptphase Designphase Entwicklungsphase Produktionsanlauf Physisches Modellieren Prototypserie 1 P-Serie 2 Digitales Modellierung Prototypserie bestehend aus: Konstruktion Teilebeschaffung Montage Evaluieren P-Serie 3

23 Geschäftsprozess im RPD Zeitliche Befüllung des PDM Systems mit Revisionen von Konstruktionsdaten Teil 1 Teil 2 Teil 3 T 1, Variante 2... Teil 789 Revision 1 R 2 R 1 R 2 R 3 R 1 R 1 R 2 R 3 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 R 4 R 5 R 6 R 7 R 8 R 9 R 3 R 4 R 5 R 6 DMU Meeting Dig. Crash Test Dig. Packaging Bestellung Kurzläufer Abgleich digitale Hardware Untersuchungen? Bestellung Langläufer

24 Vereinfachte Gretchenfrage Wie verwende ich welche Prototyping Technologie in welcher Phase mit welchem Partner zu welchem Test? Wie komme ich möglichst schnell, preisgünstig und zuverlässig zum Prototypteil in der aktuell richtigen Qualität?

25 Anwendungslevel Anwendungslevel 6. Gesamtprozess optimierte Vorgehensweise 5. Prototyping- und Versuchsintegrierte Vorgehensweise 4. Prüfungsrelevante Technologie, Material und Partnerselektion 3. VertiefteTechnologiekenntnis, Materialkenntnis und Partnerkenntnis 2. Technologieübersicht und Marketingmaterialübersicht 1. Technologieübersicht Wo bin ich? Wohin will ich? Wie komme ich dahin? Was intern, was extern? Wer hilft mir dabei?

26 Rapid & Virtual Prototyping + Design of Experiments VP Virtual & Augmented Reality Prototyping Methode Produktreifegrad CAD Viewer Einzelteil Concept Modeling Einzelteil DMU statisch 3-13% PMU statisch 5-15% DMU kinematisch 7-20% CAD Datensätze von n Teilen eines Produktes PMU kinematisch 10-30% FEM Prozess speziell A/B/C Muster 20-90% FEM Produkt speziell Technischer Prototyp 100% RP Versuch

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28 3D Drucken von Produkten Mutige Aussagen in der Presse : Mit 3D Drucken kann man alles herstellen! Die fertigungstechnische Revolution! Mit Personenfiguren werden 90% des Umsatzes beim 3D Druck gemacht! Nun ist sogar die Automobilbranche auf diese Technologien aufmerksam geworden! Mediale Aufmerksamkeit ist aus Sicht von Coachulting ein Segen und Fluch!

29 Vereinfachte Gretchenfrage Sind additive Fertigungsverfahren reif für die Produktion? Klare Antwort! Ja und nein, kommt ganz drauf an!

30 Was ist für anspruchsvolle Produkte notwendig? Empfehlungen von Spezialisten von 19 renommierten Unternehmen unter

31 RM: Qualität von generative gefertigten Metallteilen CNC AF Guss Fertigungstoleranzen << 0,1 mm 0,1-0,3 mm 0,1-1 mm Gefüge bis -- Prozessstabilität +++ bis + ++ bis - ++ bis -- Prozessentwicklungszeit Jahre 8-12 Jahre Jahre

32 Agenda Additive Fertigung/Generative Fertigung/3D Printing - 27 Jahre Geschichte Technologieübersicht Produktentwicklung Professional 3D Printing Übersicht, Anwendungen, Grenzen und Chancen Concept Modeling und Rapid Prototyping, Rapid Tooling Rapid Manufacturing Wissensmanagement Geiger, M.; Coachulting

33 Frage Wie kommt eine Führungs- bzw Fachkraft im RPD zu erprobtem Wissen um seine Prozesse zu optimieren?

34 Eine Antwort! Durch Erfahrungsaustausch in Expertennetzwerken mit Personen mit ähnlichem Know-How und Problemstellungen aus anderen Unternehmen!

35 Expertennetzwerk RPD-Tech 2 Airbus Defence and Space GmbH Andreas Stihl AG & Co. KG BRP-Powertrain GmbH & Co KG Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH Mann+Hummel GmbH MTU Aero Engines AG Siemens AG Volkswagen AG Das Netzwerk wurde 1994 am Fraunhofer IPA gegründet und wird seit 2005 von Coachulting koordiniert Teilnehmer sind Spezialisten zu Rapid Technologien

36 Expertennetzwerk Musterbau C. & E. FEIN GmbH DÜRR DENTAL AG INSTITUT DR. FOERSTER GMBH & CO. KG Mahle Behr GmbH & Co. KG REMS-WERK GmbH & Co. KG Roto Frank AG WMF AG Das Netzwerk wurde am Teilnehmer sind die leitende Personen der Musterbaubereiche bzw. Modellbaubereiche oder der Entwicklung Lokales Netzwerk mit Unternehmen nicht weiter als ca. 150 km von Stuttgart entfernt

37 Leistungen und Arbeiten im Netzwerk 1. Lizenz rapid-information.de Umfangreiche Informationen zu Rapid Technologien mit Zugriff übers Internet 2. Gemeinsame Informationssammlung Coachulting sammelt und stellt den Partnern Informationen zur Verfügung (Materialdatenblätter, Technologiebeschreibungen, etc.) 3. Technologie-Scouting Coachulting recherchiert allgemein Informationen zu Neuheiten im Bereich Rapid Technologien 4. Thematische Recherchen Coachulting recherchiert zu speziellen Themen, die von den Partnern in den Projekttreffen festgelegt werden und bereitet dies für die Projekttreffen vor Projekttreffen im Jahr Erfahrungsaustausch zwischen den Partnern, eventuell geladene Referenten zu speziellen Themen, Besprechung von Untersuchungen zwischen den Treffen 6. Eintrittskarten zum Coachulting Forum Fachausstellung und Fachvorträge, die in Abstimmung mit den Partnern in den Expertennetzwerken organisiert wird.

38 Nutzen Entsprechend Aussagen der Partner konnten die Kosten in jedem Jahr (schon oft mit nur einer nützlichen und umgesetzten Information zu Beschaffungen von Musterteilen) um ein mehrfaches wieder eingespart werden. Genannte Vorteile sind: Erfahrungsaustausch mit Personen mit ähnlichen Aufgabenstellungen Praxiserprobte Informationen aus vertraulicher Quelle Man erfährt auch was nicht oder schlecht geht Hohes Vertrauen untereinander Schnelle risikoreduzierte Umsetzbarkeit von technologischen Neuheiten Unterstützende Aussagen der Partner bei strategischen Vorhaben (z.b. Investitionen in neue Technologien) Möglichkeit zum Informationsaustausch zu vielen ergänzenden Themen im Tagesgeschäft (z.b. Entlohnungssysteme, Kennzahlen, ) Zeit- und Kostenersparnis bei der Beschaffung von Informationen durch gemeinsame Beauftragung von Coachulting

39 11. Coachulting Forum Fachvorträge und Ausstellung für Führungs- und Fachkräfte aus: Produktentwicklung Design und Konstruktion Prototypenbau, Musterbau, Versuch, Marketing Einkauf Serienanlauf und Kleinserienfertigung RT Dienstleistungsunternehmen Termin: Ort: Zielgröße: Gebühr: Mittwoch, der 11. März 2015, 9:00 16:00 Uhr Quadrium in Wernau (ca. 20 km östlich von Stuttgart mit sehr guter Verkehrsanbindung) Aussteller, Teilnehmer 70 (inklusive Mehrwertsteuer, Parkschein, Essen und Getränke) Ablaufplanung: ca. 2* 1,5 Stunde Vorträge und ca. 3,5 Stunden Ausstellung Kernthema: Rapid Technologien + ergänzende Themen